CN216117154U - 一种层状剪切试验土箱及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种层状剪切试验土箱及装置，土箱包括立方体框架、土箱本体和两组边界阻尼系统，土箱本体设于立方体框架中，用于容置从上至下依次布置的多层试验土层，其包括两块沿X轴方向间隔设置的试验立板，试验立板由多块从上至下铰接的挡板组成，以使挡板在对应的试验土层发生剪切行为时能够被带动至相对其他挡板绕Y轴方向转动，边界阻尼系统设于相应的试验立板与立方体框架之间，用于在挡板转动并产生X轴方向位移时为其提供阻尼，土箱本体沿Y轴的两端与立方体框架抵接。从而本实用新型能够根据计算或实验，选择特定的边界阻尼参数，以消除边界效应，以模拟侧面无限边界，或模拟某些特殊情形，如在软土区域的部分土体置换回填，从而实现边界效应可调。

Description

一种层状剪切试验土箱及装置

技术领域

本实用新型具体涉及一种层状剪切试验土箱及装置。

背景技术

为研究地震下场地响应或土结相互作用，常采用振动台作为模拟地震加载的方式。

由于需采用有限土体模拟实际的无限土体，研究者针对此点开发出诸多不同土箱类型。大体有刚性土箱、柔性土箱、层状剪切土箱三大类。刚性土箱，土体振动在边界处反射明显，边界效应消除能力差，已较少使用；柔性土箱，多为圆筒状橡胶结构，外侧束以加劲环筋或其他装置，目的为构造出内置土体层状剪切运动的效果，但外侧束缚装置的疏密和松紧程度不可精确控制，太紧则边界效应明显，太松则土体偏向于整体弯曲变形；层状剪切土箱由平面钢或其他材料框架层叠而成，内嵌钢珠或其他滑动装置，意在模拟土体层状剪切变形。较典型的层状剪切土箱，有

《一种能加载的层状剪切模型土箱》(申请号：201510072677.0)、

《一种层状振动剪切土箱试验装置》(申请号：201410757004.4)。为减小边界效应，层状剪切土箱多通过衬垫软性泡沫材料等构造手段实现，但仍然存在边界效应不可控等问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种能够控制边界效应的层状剪切试验土箱，还相应提供一种具有该层状剪切试验土箱的层状剪切试验装置。

解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型提供一种层状剪切试验土箱，包括：立方体框架、土箱本体和两组边界阻尼系统，

所述土箱本体设于立方体框架中，用于容置从上至下依次布置的多层试验土层，以试验土层发生剪切行为的方向为X轴，以水平面内垂直于X轴的方向为Y轴，所述土箱本体包括两块沿X轴方向间隔设置的试验立板，所述试验立板由多块挡板组成，多块挡板与多层试验土层一一对应且从上至下依次通过铰接结构相连，以使挡板在对应的试验土层发生剪切行为时能够被带动至相对其他挡板绕Y轴方向转动，

两组边界阻尼系统与两块试验立板一一对应，所述边界阻尼系统设于相应的试验立板与立方体框架之间，用于在挡板转动并产生沿X轴方向的平动位移时为其提供阻尼，所述土箱本体沿Y轴的两端与立方体框架抵接。

可选地，所述边界阻尼系统包括多个边界阻尼结构，多个边界阻尼结构和试验立板上的多个铰接结构一一对应，所述边界阻尼结构的一端与对应的铰接结构相连，另一端与立方体框架相连。

可选地，所述试验立板上端的挡板顶部，以及所述试验立板下端的挡板底部均设有铰接结构。

可选地，所述边界阻尼结构包括第一撑杆、缓冲体和第二撑杆，所述第一撑杆和第二撑杆均沿X方向布置，所述第一撑杆的一端与铰接结构的铰接轴相连，所述第二撑杆的一端与立方体框架的内壁相连，第一撑杆和第二撑杆的另一端均与缓冲体相连。

可选地，所述缓冲体为弹簧或阻尼器。

可选地，所述土箱本体还包括由四块橡胶立板围合形成的橡胶框，所述橡胶框的内腔形成多层试验土层的容置腔，

可选地，两块试验立板分设于橡胶框沿X轴方向的两块橡胶立板的外侧面上，沿Y轴方向的两块橡胶立板与立方体框架的内壁抵接。

可选地，所述土箱本体还包括两块塑料板，两块塑料板分设于橡胶框沿Y轴方向的两块橡胶立板的内侧面上。

本实用新型还提供一种层状剪切试验装置，包括振动装置和上述的层状剪切试验土箱，所述层状剪切试验土箱设于振动装置的试验台上，所述振动装置用于向层状剪切试验土箱提供沿X轴方向的震荡激励。

本实用新型中，通过采用折叠式的试验立板，并通过设置在组成试验立板的挡板转动时为其提供带阻尼的侧向支撑以防止其失稳的边界阻尼系统，从而能够在保证土箱内试验土层的振动方式尽量贴近层状剪切形式的基础上，根据计算或实验，选择特定的边界阻尼参数，以消除边界效应，以模拟侧面无限边界，或模拟某些特殊情形，如在软土区域的部分土体置换回填，从而实现边界效应可调。

附图说明

图1为本实用新型实施例1提供的层状剪切试验土箱的立剖结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的层状剪切试验土箱的俯视结构示意图。

图中：1、立方体框架；2、试验土层；3、挡板；4、铰接结构；5、边界阻尼结构；51、第一撑杆；52、缓冲体；53、第二撑杆；6、橡胶框；7、塑料板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对实用新型中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型提供一种层状剪切试验土箱，包括：立方体框架、土箱本体和两组边界阻尼系统，

所述土箱本体设于立方体框架中，用于容置从上至下依次布置的多层试验土层，以试验土层发生剪切行为的方向为X轴，以水平面垂直于X轴的方向为Y轴，所述土箱本体包括两块沿X轴方向间隔设置的试验立板，所述试验立板由多块挡板组成，多块挡板与多层试验土层一一对应且从上至下依次通过铰接结构相连，以使挡板在对应的试验土层发生剪切行为时能够被带动至相对其他挡板绕Y轴方向转动，

两组边界阻尼系统与两块试验立板一一对应，所述边界阻尼系统设于相应的试验立板与立方体框架之间，用于在挡板转动并产生沿X轴平动位移时为其提供连接处X轴方向的阻尼，所述土箱本体沿Y轴的两端与立方体框架抵接。

本实用新型还提供一种层状剪切试验装置，包括振动装置和上述的层状剪切试验土箱，所述层状剪切试验土箱设于振动装置的试验台上，所述振动装置用于向层状剪切试验土箱提供沿X轴方向的震荡激励。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供一种层状剪切试验土箱，包括：立方体框架1、土箱本体和两组边界阻尼系统，

土箱本体设于立方体框架1中，用于容置从上至下依次布置的多层试验土层2，以试验土层2发生剪切行为的方向为X轴，以水平面垂直于X轴的方向为Y轴，土箱本体包括两块沿X轴方向间隔设置的试验立板，试验立板由多块挡板3组成，多块挡板3与多层试验土层2一一对应且从上至下依次通过铰接结构4相连，以使挡板3在对应的试验土层2发生剪切行为时能够被带动至相对其他挡板3绕Y轴方向转动，

两组边界阻尼系统与两块试验立板一一对应，边界阻尼系统设于相应的试验立板与立方体框架1之间，用于在挡板3转动时为其提供X轴方向的阻尼，所述土箱本体沿Y轴的两端与立方体框架1抵接。

由此，通过采用折叠式的试验立板，并通过设置在组成试验立板的挡板3转动时为其提供阻尼以防止其失稳的边界阻尼系统，从而能够在保证土箱内试验土层的振动方式尽量贴近层状剪切形式的基础上，根据计算或实验，选择特定的边界阻尼参数，该阻尼恰好消除边界处反射的波，减少甚至消除边界效应，以模拟侧面无限边界，或模拟某些特殊情形，如在软土区域的部分土体置换回填，两侧是比回填土刚度更低的原状软土。从而实现边界效应可调。

其中，各挡板3的高度和分布可根据对应的模拟试验土层2的厚度调整。

本实施例中，边界阻尼系统包括多个边界阻尼结构5，多个边界阻尼结构5和试验立板上的多个铰接结构4一一对应，边界阻尼结构5的一端与对应的铰接结构4相连，另一端与立方体框架1相连。

本实施例中，试验立板上端的挡板3顶部，以及试验立板下端的挡板3底部均设有铰接结构4，以保持试验立板在试验土体剪切试验过程中的整体稳定性。本实施例中，铰接结构4为铰链。

本实施例中，边界阻尼结构5包括第一撑杆51、缓冲体52和第二撑杆53，第一撑杆51和第二撑杆53均沿X方向布置，第一撑杆51的一端与铰接结构4的铰接轴相连，第二撑杆53的一端与立方体框架1的内壁相连，第一撑杆51和第二撑杆53的另一端均与缓冲体52相连。

本实施例中，缓冲体52为弹簧或阻尼器或两者的结合。

弹簧或阻尼器可根据具体边界效应的理论计算选定其性能参数。

若如无边界阻尼系统连接，铰接立板是不稳定的机构。铰接的立板与铰接部位相连的边界阻尼系统共同构成了稳定体系，通过调整阻尼和弹簧刚度，在静止状态不会产生位移。在水平晃动激励时，立板在铰接处产生转动，从而在每一土层形成剪切变形。

本实施例中，土箱本体还包括由四块橡胶立板围合形成的橡胶框6，橡胶框6的内腔形成多层试验土层2的容置腔，

两块试验立板分设于橡胶框6沿X轴方向的两块橡胶立板的外侧面上，沿Y轴方向的两块橡胶立板与立方体框架1的内壁抵接。

本实施例中，土箱本体还包括两块塑料板7，两块塑料板7分设于橡胶框6沿Y轴方向的两块橡胶立板的内侧面上。

本实用新型，多层试验土层2被顶面开口的方形软橡胶框6限制其中。试验为单向激振测试，因此橡胶框6垂直激励方向(Y轴方向)的两个内壁铺贴表面光滑的塑料板7，保证该方向土界面为自由滑动面。该方向的软橡胶立板则由整体限位框架提供支撑，保证软橡胶不被土挤压外扩。

激励方向(X轴方向)的两块橡胶立板，则与对应的试验立板紧贴。试验立板又由第一撑杆51-弹簧/阻尼器-第二撑杆53-整体限位立方体框架1构成的体系支撑。在下部振动装置产生激励使试验土层2产生晃动时，由于软橡胶无法限制其位移，力会传导到外侧铰链连起的挡板3，挡板3由于铰链限制，仅能发生层状转动，模拟试验土层2的层状剪切行为。该层状剪切若无本实用新型的边界阻尼系统限制，会导致该侧壁板迅速失稳。

设置合适的弹簧、阻尼参数，可良好的模拟设定的边界情形。其中各层的弹簧阻尼器参数可由理论计算，凝聚并平均分配到各个位置。

在整个层状剪切振动变形中，整体橡胶框6起到了包裹固定整个土体的作用，使土体颗粒、其中的水分不至于在振动作用下从缝隙中泄漏；垂直于激励向在橡胶框6内设置的光滑塑料板7起到制造土体自由运动面的效果；橡胶框6沿激励向与土体接触两块橡胶立板，除了起到包裹作用外，还能起到提供沿土体运动方向摩擦力的作用，能更好的模拟剪切状态下两侧的应力状态；激励向外部设置的侧向边界阻尼系统，该系统可灵活的设置，以及调整弹簧、阻尼器参数，以达到良好模拟土体层状剪切变形的效果。

实施例2：

本实施例提供的层状剪切试验装置，包括振动装置和实施例1的层状剪切试验土箱，层状剪切试验土箱设于振动装置的试验台上，振动装置用于向层状剪切试验土箱提供沿X轴方向的震荡激励。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种层状剪切试验土箱，其特征在于，包括：立方体框架(1)、土箱本体和两组边界阻尼系统，

所述土箱本体设于立方体框架(1)中，用于容置从上至下依次布置的多层试验土层(2)，以试验土层(2)发生剪切行为的方向为X轴，以水平面垂直于X轴的方向为Y轴，所述土箱本体包括两块沿X轴方向间隔设置的试验立板，所述试验立板由多块挡板(3)组成，多块挡板(3)与多层试验土层(2)一一对应且从上至下依次通过铰接结构(4)相连，以使挡板(3)在对应的试验土层(2)发生剪切行为时能够被带动至相对其他挡板(3)绕Y轴方向转动，

两组边界阻尼系统与两块试验立板一一对应，所述边界阻尼系统设于相应的试验立板与立方体框架(1)之间，用于在挡板(3)转动并产生X方向平动分量时为其提供阻尼，所述土箱本体沿Y轴的两端与立方体框架(1)抵接。

2.根据权利要求1所述的层状剪切试验土箱，其特征在于，所述边界阻尼系统包括多个边界阻尼结构(5)，多个边界阻尼结构(5)和试验立板上的多个铰接结构(4)一一对应，所述边界阻尼结构(5)的一端与对应的铰接结构(4)相连，另一端与立方体框架(1)相连。

3.根据权利要求2所述的层状剪切试验土箱，其特征在于，所述试验立板上端的挡板(3)顶部，以及所述试验立板下端的挡板(3)底部均设有铰接结构(4)。

4.根据权利要求2或3所述的层状剪切试验土箱，其特征在于，所述边界阻尼结构(5)包括第一撑杆(51)、缓冲体(52)和第二撑杆(53)，所述第一撑杆(51)和第二撑杆(53)均沿X方向布置，所述第一撑杆(51)的一端与铰接结构(4)的铰接轴相连，所述第二撑杆(53)的一端与立方体框架(1)的内壁相连，第一撑杆(51)和第二撑杆(53)的另一端均与缓冲体(52)相连。

5.根据权利要求4所述的层状剪切试验土箱，其特征在于，所述缓冲体(52)为弹簧或阻尼器。

6.根据权利要求1-3任一项所述的层状剪切试验土箱，其特征在于，所述土箱本体还包括由四块橡胶立板围合形成的橡胶框(6)，所述橡胶框(6)的内腔形成多层试验土层(2)的容置腔，

两块试验立板分设于橡胶框(6)沿X轴方向的两块橡胶立板的外侧面上，沿Y轴方向的两块橡胶立板与立方体框架(1)的内壁抵接。

7.根据权利要求6所述的层状剪切试验土箱，其特征在于，所述土箱本体还包括两块塑料板(7)，两块塑料板(7)分设于橡胶框(6)沿Y轴方向的两块橡胶立板的内侧面上。

8.一种层状剪切试验装置，其特征在于，包括振动装置和如权利要求1-7任一项所述的层状剪切试验土箱，所述层状剪切试验土箱设于振动装置的试验台上，所述振动装置用于向层状剪切试验土箱提供沿X轴方向的震荡激励。

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